大數據背景下礦用呼吸器的人因分析及安全改善研究

吳悅 徐田波 李鵬飛

摘 要：應用人因工效學的相關方法對礦用呼吸器進行了分析改善，并對改善優化后的使用過程進行了的程序分析，縮短了佩戴時間，提高了礦用呼吸器的安全性與可靠性。同時提出了建立井下人員健康監測管理系統，在呼吸器上加裝傳感器，通過井下無線通訊模塊采集并傳輸人員生理及心理的變化數據，實時監測人員的健康狀態，并根據數據分析結果采取相應的管理措施，實現人員管理的智能化，從而保障煤礦作業安全。文中的研究內容能夠解決傳統礦用呼吸器存在的材料與結構方面的安全隱患，對于提升井下作業的安全性，建設智慧礦山具有重要意義。

關鍵詞：人因工效學；礦用呼吸器；井下人員健康；實時監測系統；煤礦安全

中圖分類號：R 857.14；TU 714

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7312（2018）06-0705-05

0 引 言

十二五規劃以來，國家提出建設智慧礦山，以實現礦山的本質安全、高產高效、綠色環保，同時更加強調關注職工健康安全[1]。目前我國智慧礦山的建設中缺少對于礦用產品的改善研究和井下人員的健康監測管理系統。井下作業環境復雜多變，存在多種不安全因素，可以劃分為3類危險源：能量源、物的故障及個體行為失誤、不符合安全的組織因素[2]。探析影響煤礦安全的因素，不僅取決于礦山建設與硬件配備，同時也與煤礦企業文化建設息息相關。良好的企業文化與安全跟蹤教育不僅可以促進煤礦作業規范準則的建立，也能夠幫助煤礦工人樹立安全行為意識。健全的人員管理制度也能夠優化人力資源調配，形成全員參與的安全管理模式[3]。根據事故致因理論，經調查統計，煤礦特大事故中70%以上都是責任事故，而在所有導致這些重大事故的直接原因中，人的不安全行為占比高達97.67%，煤礦瓦斯突出事故中由于呼吸器故障造成人員的窒息和二次傷害的情形占比高達91.2%.呼吸器作為一種井下作業人員的自救保護器具，能夠有效防止在井下發生火災、瓦斯、煤塵爆炸后有害氣體中毒事故的發生。

針對第二類危險源中礦用呼吸器故障，文中采用人因工效學的相關方法對呼吸器進行了改善，增強其本質可靠性。針對第三類危險源不符合安全的組織因素，對井下作業人員因生理或心理因素的影響而產生的不安全行為進行研究，據此融合大數據分析的相關技術設計建立井下人員健康監測管理系統，避免在不健康狀態下開展作業，同時對人員健康數據進行長期的跟蹤采集，對人員的任務分工進行合理調配，優化配置人力資源。呼吸器是關系到井下作業人員生命安全的重要裝置，目前國內的呼吸器研制水平距離國外先進水平還有一定的差距，如何對現有的通用呼吸器進行安全改善是一項富有意義的課題，對煤礦企業的安全高效發展具有長遠意義。

1 礦用呼吸器的使用現狀分析

1.1 礦用呼吸器的結構與材料現階段我國煤礦主要采用化學呼吸器，由生氧罐、氣囊、導氣管、口具、背腰帶等部件組成。它是利用化學生氧物質產生氧氣，供佩戴者從災區撤退脫險[4]?？诰卟糠种饕擅嬲趾捅菉A構成，而鼻夾包括橡膠墊與扭簧。呼吸器面罩所用橡膠種類大多數為天然橡膠，由天然橡膠制造的面罩在長期的使用和儲存過程中，會出現橡膠噴霜、變形、龜裂、粘合等問題從而導致面罩氣密性降低，影響呼吸器正常使用；鼻夾內的扭簧容易生銹；鼻夾橡膠墊與鼻翼接觸程錐形，人體面膜皮脂腺發達，鼻夾容易脫落；以上這些材料與結構缺陷都會成為安全隱患。

1.2 礦用呼吸器的使用程序分析在使用礦用呼吸器時，需要先從腰部取下，戴在頸部，然后取出面罩和夾具，用鼻夾夾住鼻子，使用過程有大量冗余動作，增加了井下作業人員穿戴呼吸器的時間，導致中毒缺氧的概率升高?，F行使用方式的程序分析如圖1所示。

通過分析結果可知，現行礦用呼吸器使用程序一共包含20道工序，且存在較多的不必要工序。同時通過達寶易軟件進行動作分析，發現操作者在穿戴呼吸器時無效動素占比12%.如何改善操作工序并降低無效動素比，是本文研究的出發點。

2 井下人員的行為分析

2.1 不安全行為的誘發因素井下人員的所有行為操作均有標準作業流程指導書和安全警示，下井前也會進行各項安全培訓，但是仍然存在不安全的操作行為，導致不安全行為產生的誘發因素主要分為生理因素和心理因素。生理因素主要包括功能系統、機能器官、生理節奏生物體活動規律，疲勞特性等。呼吸頻率，血壓，心跳，這些因素都有可能會造成人為失誤[5]。心理因素的劃分種類復雜且繁多，難以進行預測和控制。如：①急迫時的行動，在急迫的時候，容易不冷靜、不合理、不系統地考慮問題，直觀地去判斷事物，不容易改變想法，緊急、不安、焦躁和憤怒等情緒狀態都會有上述的表現；②忘卻意圖，行動開始時，有某種意圖在支配，當其意圖比較弱的時候，行動中的其他意圖會起主要支配作用，原來的意圖被忘卻了，引起作業順序發混亂；③其他心理因素，人們在生活和生產作業中，經常會出現一些心理狀態活省略行為和近道反應，如焦躁反應和單調作業，都會引起心理上的不適。以上這些心理因素都會影響井下作業人員的正確判斷從而產生錯誤行為。

2.2 安全意識的培養體系安全培訓通常起到對作業人員進行作業規范強調與不安全行為警示的作用，作業行為常常與獎懲制度掛鉤，但難以起到有效的激勵作用。只有形成了安全意識，才會逐漸消除不安全行為。缺乏安全意識會產生主觀臆測[6]。所謂主觀臆測，是指個人無根據地做出隨意性判斷并且將這種臆測作為指令，也是發生人為失誤的重要原因。尤其在以下情況時更易于發生。①急于求成，想盡快完成工作，在愿望強烈或心情焦躁的時候容易發生這種臆測；②缺乏知識，個人所獲得和掌握的信息和知識不準確或不完全的時候，自我想當然的或隨意性的行動；③片面經驗，由于過去的某次或某些行為取得了成功，把過去的經驗作為先入為主的成見，以為過去成功了，現在還會成功地重復過去的行為；④僥幸心理，這是指按照自己的愿望需要而做出的投機性判斷。

2.3 不符合安全的組織因素對于井下災害的發生，大多數煤礦企業的安全管理組織往往通過開展安全警示教育的活動來強調安全作業的重要性，無論是事前預防還是事后救援，都缺少對作業現場情況的實時掌控，難以達到早發現早杜絕的目標。組織因素的不合理，導致缺乏對井下作業人員的動態監測，以及對礦工健康狀態的追蹤[7]。

3 改善措施

3.1 礦用呼吸器的使用改善將原來呼吸器面罩的材料改為其他性能更好的材料，以解決橡膠噴霜、變形、龜裂的問題，用面罩代替鼻夾，借鑒醫用呼吸器面罩結構，制作成一種可折疊的輕便式呼吸面罩，可以同時罩住口鼻，并用一根軟管連接呼吸器罐體，這樣既可以增強呼吸器安全性，同時還可以增強人體舒適性和人機協調性[8]。以下是幾種常見面罩材料的性能比較。

從表1中的數據分析可知，硅膠完全滿足目前國內對于防護面罩的技術要求，同時硅膠的抗拉強度為20 MPa，與天然橡膠墊的21 MPa相當，高于聚氨酯和聚異戊二烯橡膠，能夠抵抗外界壓力不容易導致變形，抗撕裂強度最高，彈性較強，與人臉契合度較好且舒適性佳。目前市場上硅膠的價格為11.5元/kg，是上述材料中價格最低的，綜合考慮硅膠作為礦用呼吸器的面罩和通氣管材料是最優選擇。圖2為礦用呼吸器改善前后的示意圖，圖2（a）為改善前傳統礦用呼吸器的鼻夾與通氣管口具，圖2（b）是改善后的借鑒醫用呼吸器的呼吸面罩。

同時根據人體測量法計算腰部到面部的距離，來改善通氣管長度，采用人體測量GB1000-1988量表，見表2和表3，其中高度均以腳底為參考。

計算通氣管長度，選取百分比為99，適合99%的作業人員使用，K=2.326，以西北地區為例：

X99=+SDK=1808 mm.百分比為99男性股下高為887 mm，修正系數為200 mm，所以滿足西北地區的管子長度設置為472～721 mm.原來通氣管長度約為20 cm，改善后需要增加2至3倍，這樣能夠滿足99%的作業人員身高要求，在使用過程中無需將呼吸器從腰部取下，直接拉出呼吸管即可佩戴面罩，改善后的礦用呼吸器使用程序圖如圖3所示。

通過對礦用呼吸器材料和結構的改善，減少了7項冗余的操作工序，預計使用時間減少了11.94 s，大大節省了配戴時間。改善在不增加成本的前提下，降低了在使用中的風險發生率，完善和提高了呼吸器整體的效能，同時增加其可靠性，安全性和舒適性。

3.2 井下人員健康監測管理系統的建立建立井下作業人員的實時健康監測系統，利用傳感器采集礦工在工作時的生化指標（血壓、脈搏、體溫、呼吸頻率）的相關信號，通過處理識別這些指標信號，對人員進行實時監測，避免工人在不健康狀態下作業，做到及時提醒，合理調配，長期預防等一系列安全管理措施。保證礦工心理生理上能夠處于理想狀態，降低事故發生，提高工作效率，保證工作質量。

3.2.1 傳感器采集數據在礦用呼吸器上加裝傳感器，利用傳感器監測并采集井下作業人員的生理及心理特征數據，并對采集到的數據進行預處理，處理后的數據通過無線通訊模塊傳輸至井下無線通訊基站，基站再通過光纖局域網傳輸至中央智能監控中心，以實時監測井下作業人員的生理及心理狀況。目前較為成熟的采集生化指標的傳感器有透射式光電脈搏傳感器和體溫傳感器等。透射式光電脈搏傳感器系統采用紅外發射二極管和紅外接收二極管作為脈搏傳感器。將紅外發射管來照射人體的某一部位，用紅外接收管附在該部位的另一側，來檢測透射光，通過信號轉換得到心率相對應的方波信號。RE200B型體溫傳感器可在無人體接觸的情況下，檢測人體產生的10 μm波段的紅外線，并通過測量轉換電路轉換成電量輸出[9]。同時RE200B型體溫傳感器通過其內部雙PZT板靈敏元感光電極反向串聯，這種互補的方法不僅能抑制環境溫度的干擾，而且提高了其自身的穩定性和靈敏度，所以這種傳感器在礦井環境中使用也能準確測出人體溫度[10]。

3.2.2 監測系統運行過程中央智能監控中心結合預先設定的閾值，進行數據分析并判斷人體此時的健康狀態，實時記錄心理及生理狀況[11-14]。如果中央監控室發現井下作業人員出現異常（健康狀況或情緒），立即進行警示提醒，信號通過基站傳輸至安裝在呼吸器的傳感器上，傳感器驅動LED光源變化對正在作業的礦工進行提醒。如果礦工出現緊急狀況且無法完成自我調整，現場安全人員立即到場確認，必要時應停止員工工作，更換其他人員。井下人員健康監測管理系統運行過程如圖4所示。

4 結 語

從人因工效學的角度出發，對礦用呼吸器的結構和材料進行了分析改善研究，以提高呼吸器的可靠性，安全性，舒適性；并對井下作業人員佩戴呼吸器的操作程序展開了分析，利用ECRS原則對現有動作和程序進行改善，減少冗余程序，降低因佩戴耗時而造成缺氧窒息的風險；最后采用傳感技術采集礦工健康數據，建立監測系統，利用互聯網進行數據傳輸，進行大數據分析，對礦工健康狀態進行實時監測，實現人員管理的數據化，網絡化，智能化。通過監測系統，可以實現以下主要功能及采取相應的管理措施。1）狀態檢測。工作前通過傳感器進行檢測，對于心理生理狀態不好（生病、醉酒、心情不佳或異常興奮）的員工可視情況終止上崗以避免由于健康狀況和情緒波動帶來安全隱患。2）狀態預警。通過傳感器監測和數據分析實時判斷礦工的健康狀態，出現異常狀態時做到及時警示。當礦工狀態無法在短時間內恢復時，通知相關安全管理人員進行現場鑒別，必要時應更換作業人員。3）動態排班。目前我國大部分煤礦實行24小時三班制排班方式，通過大數據的分析，可以判斷不同工人在不同時間的心理生理健康變化狀況，以此作為排班依據，以保證每個工人在上班期間處于情緒最佳，體能良好的狀態；同時可以根據數據分析結果進行小范圍工種調整，生理心理數據波動小的作業人員適合做相對精密的工作，更需要耐心的工作，反之波動大的作業人員應盡量減少此類工作。這樣能夠充分調配人力資源，最大限度地提高工作效率，保證工作質量，降低事故發生。4）安全培訓，健康保證。根據數據分析的結果針對心理長期存在波動的作業人員進行心理治療和疏導，以預防心理疾病對于身體健康產生的危害，做到早提醒早治療。定期開展心理教育和安全教育的培訓工作，以提高員工的安全意識和處理突發事件的能力。通過人因改善與監測系統的建立，能夠保證工人在工作中處于生理和心理上的最佳狀態，從而保障安全生產，提高生產效率，降低事故發生的概率，對于提高煤礦企業的安全性，建設智慧礦山具有重要的意義。